摘 要：利用有限元程序自动生成系统（FEPG）开发了固定式管束釜式重沸器管板的参数化有限元计算程序。利用该程序及VAS-ANSYS接口程序对某台固定式管束釜式重沸器进行了应力分析。比较各工况的计算结果发现，斜锥壳对管板应力分布规律影响较大，壳程压力和温度载荷共同作用时是换热器的最危险工况，最大应力强度值的位置发生在热端管板与壳程筒体短节过渡圆弧连接处的外表面，且位于管板的最低点。
关键词：重沸器 有限元法 应力分析 应力评定 斜锥壳
1. 引言
固定式管束釜式重沸器是一种带蒸发空间的卧式换热器，其壳程筒体与壳程筒体短节之间通常采用斜锥壳进行连接[1]。此类换热器整体结构的上、下非对称性必然导致设备壳体的弯曲变形，这就要求在进行管板应力分析时必须考虑斜锥对管板上应力分布规律的影响，同时管板及管束的存在对斜锥的应力分布规律亦有相应的影响。为此，利用北京飞箭软件有限公司的有限元程序自动生成系统（FEPG）开发了固定式管束釜式重沸器有限元计算程序，并将其嵌入压力容器分析设计系统（VAS2.0）中。利用VAS-ANSYS接口程序在ANSYS中对一台固定式管束釜式重沸器进行了分析计算。
2. 固定式管束釜式重沸器的有限元模型
2.1 设计条件及几何参数
某固定式管束釜式重沸器结构简图见图1。
1，9—管板；2，7－管箱；3，8－壳程筒体短节；4，6－斜锥壳；5－丝网除沫器；10－壳程筒体；11－换热管；N1－气体进口；N2－气体出口；N3－凝液出口；N4－凝液进口；N5－蒸汽出口；N6－人孔
图1 固定式管束釜式重沸器结构简图
设计条件为，壳程设计压力0.58MPa；管程设计压力2.0MPa；壳程操作温度133.5/147.5℃℃、设计温度185℃；管程操作温度250/167℃℃、设计温度300℃。
心距38mm，换热管长度7250mm，换热管外径25mm、壁厚2mm，换热管数219。整台容器外壁表面有50mm厚的岩棉保温层。
2.2 边界条件
为了分析计算换热器各个部件的应力，必须对换热器整体结构进行系统分析，忽略汽包、开孔接管、管箱封头及支座等，考虑到结构和载荷的对称性，沿换热器的纵向对称面切开取其一半作为分析模型体。结构纵向对称面约束了法向位移，壳程筒体中间横截面（也是整台设备的轴向对称面）约束了轴向位移，两端管箱筒体端部各点约束切向位移。固定式管束釜式重沸器整体结构分析的力学模型如图2所示。
几何参数为，壳程筒体、壳程筒体短节、斜锥壳和管箱筒体壁厚16mm，管板厚度70mm，壳程筒体短节、管箱筒体内径800mm，壳程筒体内径2300mm，斜锥壳最大倾斜角度60o，正方形布管，换热管中
图2 固定式管束釜式重沸器整体结构分析的力学模型与网格划分
2.3 网格划分及单元类型
管板与换热管之间采用强度胀加密封焊连接，胀接可保证二者在力的传递方面完全固结，即接触面位移处处连续，而且根据Singh[2]的观点，换热管与管板孔之间的接触面可认为是理想接触，故模型中此处的接触热阻忽略不计，换热管管端伸出管板外的部分及其与管板间的焊缝均不考虑，管子与管板连接处做固结处理。因带管孔的管板表面形状不规则，分析中管板限定圆以内的部分采用6节点五面体体单元；换热管、壳程筒体和管箱筒体等其余部位均采用8节点六面体体单元，所有体单元经接口转换后对应ANSYS中的solid185单元。有限元模型的节点总数69095，其中6节点体单元数23104，8节点体单元数33048。固定式管束釜式重沸器整体结构分析的网格划分见图2。
2.4 各部件材料特性
换热器计算中涉及的材料全部物理常数都是在设计温度下查取的，由于换热管在高低温度下（250℃到167℃）物理常数差异不大，为简便起见，取平均温度208.5℃下换热管的性能参数。各部位材料特性见表1。
表1 各部位材料特性
2.5 载荷条件
换热器在工作过程中要经历不同的状态，如开车、停车和正常工作等，因此在分析中要考虑几种危险工况的组合。按照国家规范的要求[3]，至少应该考虑如下4种危险工况：
a．只有壳程压力ps，而管程压力pt＝0，不计热膨胀差；
b．只有壳程压力ps，而管程压力pt＝0，同时考虑热膨胀差；
c．只有管程压力pt，而壳程压力ps＝0，不计热膨胀差；
d．只有管程压力pt，而壳程压力ps＝0，同时考虑热膨胀差。
以下对上述4种工况简称工况1、工况2、工况3和工况4。
对换热器整体结构温度场系统进行分析时，壳程介质温度140.5℃（壳程介质进出口平均温度），高温端（进口）管程介质温度250℃，低温端（出口）管程介质温度167℃，热端管箱内气体的对流换热系数取管内气体在250℃下的对流换热系数α＝488W/m2℃，冷端管箱内气体的对流换热系数取管内气体在167℃下的对流换热系数α＝470W/m2℃，换热管内气体的对流换热系数取冷、热端管箱内气体对流换热系数的平均值α＝479W/m2℃，壳程筒体内介质的对流换热系数取管外水、水蒸气的对流换热系数α＝3481W/m2℃，对换热器结构外壁表面50mm厚的保温层，按照牛顿对流传热公式，取壁厚方向热通量相等，解出外壁温度作为温度边界（第一类边界条件）加在换热器外壁表面。
各工况的加载情况如下：
a．对工况1，管板壳程侧表面，壳程筒体、斜锥壳、壳程筒体短节内表面，换热管外表面受壳程压力0.58MPa作用。
b．对工况2，壳程压力的加载情况与工况1相同，温度载荷的加载情况为：热端管箱内表面和热端管板管程侧表面环境温度给定250℃，对流换热系数488W/m2℃，冷端管箱内表面和冷端管板管程侧表面环境温度给定167℃，对流换热系数470W/m2℃，换热管内表面环境温度给定208.5℃，对流换热系数477W/m2℃，壳程内表面环境温度给定140.5℃，对流换热系数3481W/m2℃。
c．对工况3，管板管程侧表面，管箱筒体内表面，换热管内表面受管程压力2MPa作用。两端管箱筒体端部横截面受管程压力引起的拉应力作用。
d．对工况4，管程压力的加载情况与工况3相同，温度载荷的加载情况与工况2相同。
2.6 固定式管束釜式重沸器的参数化模型及问题的求解
利用有限元程序自动生成系统（FEPG）的前处理器MTI建立参数化模型，在建立固定式管束釜式重沸器的有限元模型时，对其几何尺寸、材料特性以及载荷大小均采用参数来定义，求解时只要改变参数的具体值，就可以研究各工况对整个模型受力的影响。而且该参数化程序已嵌入到VAS2.0的部件库中，因此可以借助VAS2.0的界面完成此设备的有限元应力分析计算。首先用VAS2.0的计算程序求解温度场，然后把所有的有限元前处理数据以及各节点的温度信息导入ANSYS中进行计算。
3. 固定式管束釜式重沸器的有限元分析结果
各工况下固定式管束釜式重沸器的最大应力值及其位置见表2。表2 各工况下重沸器的应力分布情况
 根据表2，对各工况进行分析比较可见：壳程压力和温度载荷共同作用时是换热器管板的最危险工况，最大应力强度值的位置发生在热端管板与壳程筒体短节过渡圆弧连接处的外表面，且位于管板的最低点。存在温度载荷时，冷热端管板最大应力强度值有差异，同时存在壳程压力时，热端管板应力强度值大；同时存在管程压力时，冷端管板应力强度值大。差异又以工况2时为大。只有壳程压力作用是斜锥壳的最危险工况，最大应力强度值的位置发生斜锥壳与壳程筒体连接处的内表面。
为了进一步分析讨论，图3给出了各工况下的最大应力强度点所在管板圆周上各点的应力强度，其中0°是管板的最高点；180°是管板的最低点。
可见，工况3的应力强度曲线沿管板环向变化比较平缓，说明此时斜锥壳的影响很小，但加入温度场后，可观察到斜锥壳的影响，即圆周方向各点差异增加。当存在壳程压力时，无论是否考虑温度载荷，圆周方向各点应力强度值均有较大差异。
图3 各工况最大应力强度点所在管板圆周上各点的应力强度
由于工况2是最危险工况，下面给出工况2下的换热器整体结构和热端管板的变形及应力强度分布情况（图4、图5），并对工况2进行应力评定。评定时取了3条分析路径（图6）：路径1为管板与壳程筒体短节过渡圆弧连接处，经过应力强度最大点，沿筒体壁厚由内向外方向的路径；路径2为经过与应力强度最大点有相同圆心角的管板与过渡圆弧的切点，沿管板厚度，由壳程到管程方向的路径；路径3为经过管板布管区应力强度最大点，沿管板厚度，由壳程到管程方向的路径。各路径的应力评定结果见表3，满足分析设计要求。
图4 工况2整体结构变形及应力强度云图
图5 工况2热端管板管、壳程侧变形及应力强度云图
图6 工况2应力评定路径图
表3 应力强度评定
 4. 结论
1) 壳程压力和温度载荷共同作用时是换热器的最危险工况，最大应力强度值的位置发生在热端管板与壳程筒体短节过渡圆弧连接处的外表面，且位于管板的最低点。
2) 仅存在管程压力时的应力强度曲线沿管板环向变化比较平缓，表明受斜锥壳的影响很小，但加入温度场后，圆周方向各点应力强度的差异明显增加。当存在壳程压力时，无论是否考虑温度载荷，圆周方向各点应力强度值均有较大差异。
3) 只有壳程压力作用是斜锥壳的最危险工况，最大应力强度值的位置发生在斜锥壳与壳程筒体连接处的内表面。
参考文献
[1] 秦叔经．换热器．第1版．北京：化学工业出版社，2003，99～106
[2] Singh K P, Holtz M. An Approximate Method for Evaluating the Temperature Field in Tubesheet Ligaments of Tubular Heat Exchangers Under Steady-State Conditions. ASME Journal of Engineering for Power, 1982, 104:895~900
[3] 中华人民共和国国家标准GB151-1999，管壳式换热器．北京：中国标准出版社，2000
[4] 中华人民共和国行业标准JB4732-95，钢制压力容器——分析设计标准．北京：中华人民共和国机械工业部等发行，1995
[5] 贺匡国．压力容器分析设计基础．北京：机械工业出版社，1995
[6] 王国强．实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践．第1版．西安：西北工业大学出版社，1999
作者简介
程 伟，女，1980年9月生，硕士研究生。天津市，300130
|
